淀粉样蛋白是指在器官和组织中发现的异常纤维状细胞外和蛋白质沉积物，其形成对降解具有抗性的不溶性构建体。它们的形成可以伴随疾病，其中每种疾病都以特定的蛋白质或肽聚集体为特征。淀粉样蛋白原纤维和纳米晶体的纳米机械性能取决于其二级和四级结构以及分子间的几何形状。科学家使用了先进的成像方法，包括原子力显微镜 (AFM)揭示淀粉样蛋白的形态和机械异质性，尽管很难基于常规光谱方法获得全面的了解。

在最近发表在《先进科学》上的最新报告中，Jozef Adamcik和苏黎世联邦理工学院，剑桥大学，卢森堡大学和上海大学的国际研究人员团队展示了组合的单分子纳米光谱方法。他们将技术与原子建模相结合，以了解基于纳米级六肽的淀粉样蛋白原纤维向淀粉样蛋白微晶的结构转变。他们将硬化的根源归因于分子间β-折叠结构含量的增加。杨氏模量的增加的刚度与分子间氢键和平行的β-折叠结构的增加的密度相关，以使晶体稳定。

材料科学中的淀粉样蛋白

淀粉样蛋白是由蛋白质或肽产生的高度有序的结构，与多种疾病相关，包括许多神经退行性疾病，例如阿尔茨海默氏病，帕金森氏病，克雅氏病和牛海绵状脑病。了解它们的生物物理特性可以提供许多新的信息来抑制它们的形成。然而，在材料科学中，大量肽和蛋白质自组装为淀粉样蛋白结构的能力开辟了一种方法，可以使用它们开发用于生物医学和纳米技术应用的新型纳米材料。结果，材料科学家我们渴望在更广泛的背景下获得有关淀粉样蛋白结构和形态的详细知识，以用于跨医学到纳米技术的应用。在这项工作中，Adamcik等人。我们研究了六肽模型系统的多态性，并使用了Peakforce定量纳米机械作图原子力显微镜(PF-QNM-AFM)的单分子能力进行了分析。该方法将原子力显微镜(AFM)和红外技术与原子模型相结合，以单一聚集体的规模研究和关联了原纤维及其晶体形式的纳米机械，化学和结构性质。

峰力定量纳米机械映射原子力显微镜(PF-QNM-AFM)

该团队首先对ILQINS六肽(淀粉样蛋白形成片段)进行了单独分析，以了解纳米机械和结构特性的差异。他们提取了大约30种不同原纤维的杨氏模量，其淀粉样原纤维的典型值(2-3 GPa)。然后他们观察到了另一种六肽IFQINS-另一个淀粉样蛋白形成区段，显示原纤维与右手螺旋带，右手和左手扭曲带，中间晶体和晶体的结构共存。在这种情况下，杨氏模量是不同的，并允许研究人员区分每种结构形态。例如，红色显示的原纤维的杨氏模量在2-3 GPa范围内，非常类似于ILQINS自组装的原纤维。对于以蓝色表示的晶体，模量在5-6 GPa的范围内，而在绿色中看到的中间晶体分布在2-5 GPa的范围内。此外，TFQINS淀粉样蛋白结构自组装成带有少量扭曲带的微晶，其趋势与IFQINS六肽相似。研究小组还获得了TFQINS从原纤维到晶体转变的杨氏模量的详细分析。

红外纳米光谱(AFM‐IR)

Adamcik等。然后应用红外(IR)光谱进一步了解了纳米机械性能与单纤维和晶体化学二级结构异质性之间的关系。由于其异质性，他们选择了IFQINS肽进行AFM-IR工具实验。科学家使用该技术观察了形态图，以显示纳米级扭曲的原纤维和晶体的共存。AFM-IR系统允许光谱分辨出通常被称为蛋白质指纹图谱的酰胺带或肽。科学家研究了从原纤维到中间晶体到晶体状态转变过程中的细微结构变化，以表明分子间平行β-折叠结构的净增加和反平行β-折叠结构的轻微增加。该小组将结果归因于从原纤维到结晶态的杨氏模量增加，其中IR光谱法和AFM压痕提供了原子级组织的概要。

原子模拟

接下来，研究人员对压痕过程进行了原子模拟，以进一步研究获得类晶体顺序后淀粉样物质特性的变化。他们使用ILQINS肽进行这些模拟，以了解厚淀粉样蛋白和稀淀粉样蛋白模型的版本。与厚结构相比，薄结构的骨架更不紧凑。晶体的杨氏模量比扭曲淀粉样蛋白的模量高3.6 GPa，显示出晶体的排列顺序大于原纤维，这与实验压痕非常相似。两者合计，结果表明淀粉样蛋白中的原纤维到晶体的转变与分子间β-折叠和氢键的增加有关，这导致酰胺I谱带向更低的振动频率移动。这种转变使晶体结构变得稳定，基于氢键的振动熵和远距离顺序 这项工作为从原纤维到晶体的转变提供了清晰的过程，以形成异常稳定的淀粉样蛋白晶体。

TFQINS原纤维/晶体转变的纳米力学性能。a)TFQINS晶体的AFM DMT模量。b)来自(a)部分的TFQINS晶体的DMT模量。c)TFQINS晶体的AFM DMT模数按指定区域着色为红色，绿色或蓝色。d)TFQINS晶体的DMT模量直方图。红色和绿色分别表示原纤维/晶体过渡区域的扭曲或平坦部分;蓝色对应于晶体区域。图片来源：Advanced Science，doi：10.1002 / advs.202002182

外表

这样，Jozef Adamcik及其同事将单分子原子力显微镜相结合成像，纳米压痕和具有原子模型的纳米级化学光谱学，以了解淀粉样多晶型物的纳米机械和振动特性。他们观察了从原纤维到微晶的转变，并研究了一系列六肽片段(包括ILQINS，IFQINS和TFQINS)。淀粉样蛋白原纤维和微晶显示出不同的杨氏模量，其中由于微晶结构中较高的密度和分子间β-片层的顺序，淀粉样蛋白晶体具有较大的值。这项工作为淀粉状蛋白聚集体的原子，介观和振动性质提供了前所未有的图谱，从而阐明了热力学稳定的淀粉状蛋白晶体的分子起源，可用于材料科学到纳米医学。